MEMS振蕩器、諧振器和時鐘產品是計時市場中新的、迅速成長的一部分。這些產品正在取代傳統的石英和時鐘芯片，它在單芯片上結合了上述兩者的功能。不但如此，同樣價格的MEMS產品比石英設備尺寸更小，還能提供極佳的可靠性，非常穩定，且抗沖擊和振蕩的性能也是最好的。MEMS振蕩器的新功能還在不斷增加。例如，MEMS振蕩器現已成為目前市場上同等價格下尺寸最小的高質量因數（high-Q）振蕩器、最穩定的高質量因數振蕩器和尺寸最小的可編程振蕩器。

時間就是金錢

一直以來，技術文章中都有對MEMS計時方案的價格競爭力的很多思索。然而，現在這些已不再成為問題，MEMS部件已經以具有競爭力的價格量產了。

MEMS制造工藝有極大的優勢：200mm CMOS晶圓可以減少振動；標準的IC封裝提高了可靠性且降低了成本；時鐘輸出頻率的電子編程使得解決方案的成本更低。這些方案已經可以大批量生產，產品交付期也很短。擔心石英供貨能力跟不上的日子已經過去了。

上述這些MEMS計時方案的優勢是針對初學者的。今年9月，最低抖動、尺寸最小的可編程振蕩器工程樣片就已經開始供應了，相位抖動（隨機）僅為0.5ps，適合千兆位以太網、光纖通道和SATA/SAS設備。這一新的性能水平將MEMS可編程振蕩器帶入了曾經由昂貴的石英設備主導的應用領域。以后，這種高性能的趨勢將繼續提高MEMS諧振器和鎖相環（PLL）的相位噪聲性能。

新的0.4mm超薄振蕩器也是在今年9月發布的。之所以能實現這一尺寸，是因為MEMS振蕩器的晶圓厚度僅有0.15mm。這些振蕩器和諧振器是適合超薄應用領域的高性能時鐘源方案。我們可以想象它們用在智能卡、高密度存儲模塊和微小的無線節點。石英的本身很脆，這就限制了它用于很多薄型產品，同時這類應用也會降低產量，提高成本。

質量因數Q

下面我們從更具體的角度來看看計時領域發生的變化和MEMS振蕩器有上述優勢的原因。很多技術都曾承諾要取代商用級石英，但40多年來所有這些技術都沒能實現這一目標。分析表明這些非石英計時技術之所以失敗是因為它們大都不能達到石英固有的穩定性，也有些可以實現很好的穩定性的例子，但這些都比現有的石英解決方案的成本高出許多。

質量因數Q用來衡量諧振器保持其能量的效果。鐘就是在現實生活中的具有高質量因數的例子，鐘被敲響以后，鐘聲要經過很長時間才會消散。但如果敲一個質量因數很低的塑料杯子，其聲能量幾乎在敲響的瞬間就消失了。

石英廠商提供±5～±100ppm范圍的產品，最常見的規格是±50～±100ppm。這些廠商之所以能實現這么好的穩定性是因為石英諧振器具有很高的質量因數50 000～250 000。在某些極其學術的應用中，石英的質量因數能達到1000 000～3000 000。MEMS諧振器也有很高的質量因數。SiTime公司的產品、Discera公司的技術資料和很多學術資料都證明已生產出的MEMS諧振器Q值大約是80 000，其最高可超過500 000。

Q值非常關鍵是因為它和穩定性成正比。Q值定義為諧振器被-3dB帶寬分割的中心頻率。一個Q值僅為100的諧振器會有一個很寬的質量因數曲線，其誤差大約高達10 000ppm。因此，封裝壓力和過程中很小的誤差都會對諧振器的頻率產生影響。

頻率穩定性，或說頻率ppm誤差實際上是被限于從諧振峰值測量-3dB的頻帶帶寬的1/2。盡管最初進行了仔細的校準，Q值不到1000的諧振器每年的老化誤差在幾十到幾百ppm都是可以接受的。MEMS諧振器50000±1%～200000±1%的Q值是由設計決定的。100000的Q值能產出大約10ppm的產品。

圖1 未來MEMS將被直接集成到CMOS中

不是所有硅振蕩器都一樣

MEMS振蕩器是用純單晶硅制成的。不能把MEMS振蕩器和基于低Q值的LC振蕩電路的硅振蕩器混為一談。大部分基于LC振蕩電路的硅振蕩器的Q值很低，穩定性差。這類產品提供某種程度的可編程性能，適合為微處理器和一些對ppm要求不高的應用提供計時方案。

MEMS的未來

未來，MEMS將被直接集成到CMOS中，如圖1所示。這種集成將帶來很多好處，如尺寸更小、性能更高和生產更簡單。MEMS方案無可比擬的尺寸優勢將使無線節點和多芯片模塊尺寸進一步縮小成為可能，同時還能使PCB上不再有石英。SiTime公司的EpiSEAL和MEMS First工藝就是能夠實現與CMOS集成的實例。

最近的工藝發展已允許將先進的 0.18μm CMOS電路和功能齊全的MEMS成功的集成。

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